Белок Vostok помог ДНК в нервных клетках личинок дрозофилы принять правильную укладку

Ученые обнаружили в мозге дрозофилы ранее не известный белок, участвующий в трехмерной укладке ДНК в ядрах нервных клеток. Исследователи назвали новую молекулу в честь первого пилотируемого космического аппарата Vostok. Оказалось, что этот белок связывается с определенными участками ДНК и образует на ней петли, необходимые для правильной работы генов, в частности тех, что контролируют развитие нервной системы. Знание о функциях белков-регуляторов важно для разработки подходов к редактированию некорректно работающих генов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Molecular Cell.

ДНК в ядрах клеток имеет определенную трехмерную структуру, от которой зависит активность разных генов. Особенно важна правильная укладка ДНК в нейронах, поскольку точная регуляция генов обеспечивает развитие этих клеток и формирование связей между ними. Однако оставалось не до конца понятно, как контролируется «сворачивание» ДНК, в частности, образование на ней петель, которые позволяют регуляторным белкам сближаться с нужными генами, взаимодействовать с ними и тем самым изменять их активность. Ранее было известно, что в этом процессе участвует белок GAF, но ученые предполагали, что существуют и другие регуляторы.

Исследователи из Института биологии гена РАН (Москва) и Принстонского университета (США) изучилимеханизмы укладки петель ДНК в клетках мозга личинок дрозофилы. Более ранние исследования показали, что ДНК содержит наибольшее число петель именно в нейронах, поэтому авторы выбрали для работы нервную ткань.

С помощью компьютерного анализа биологи обнаружили в геноме нейронов — наборе всех их генов — короткую повторяющуюся последовательность, которая чаще всего встречается в участках, предположительно вовлеченных в образование петель. Оказалось, что с этой последовательностью связывается ранее не известный регуляторный белок. В схематичном виде петли ДНК обозначаются в виде дуги, которая напоминает траекторию полета ракеты. Поэтому авторы назвали новый белок Vostok в честь первого пилотируемого космического аппарата.

Чтобы выяснить функции этого белка, ученые с помощью метода редактирования генов CRISPR-Cas9 создали мутантных личинок, у которых ген Vostok был «выключен». Оказалось, что в ДНК таких дрозофил петель стало на 7% меньше. При этом петли, образуемые при участии белка Vostok, отличались от тех, за которые отвечает ранее известный белок GAF. Это говорит о том, что регуляторы работают независимо друг от друга и оба важны для правильной укладки ДНК.

Авторы проверили, как отсутствие белка Vostok у мутантных личинок отразилось на работе генов в нервных клетках. Анализ показал, что активность некоторых последовательностей, контролирующих развитие нервной системы, снизилась. В результате мутантные личинки погибали во время окукливания, и это подтверждает, что утрата белка Vostok в мозге приводит к серьезным дефектам развития и летальному исходу.

«Наше исследование подтверждает, что трехмерная укладка ДНК строго контролируется с помощью ДНК-связывающих белков, одним из которых оказался Vostok. Понимание того, как формируются петли в молекуле ДНК, открывает новые возможности для генной терапии. Например, поняв, как управлять петлеобразованием, в будущем мы сможем корректировать работу генов при наследственных заболеваниях нервной системы», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Максим Ерохин, доктор биологических наук, руководитель группы биологии хроматина Института биологии гена РАН.

«Так как при мутации в генах Vostok и GAF теряется только около 15% петель ДНК, в геноме дрозофилы должны существовать другие белки со схожими свойствами. Поиск таких белков — одна из наших будущих задач. Также перспективной представляется возможность направленного создания петель ДНК с помощью белка Vostok при наработке его в клетках человека», — комментирует участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Дарья Четверина, ведущий автор исследования, кандидат биологических наук, руководитель группы эпигенетики Института биологии гена РАН.